未利利⽤用熱利利⽤用とバイナリー発電

平成26年年7⽉月24⽇日(株)ゼネシス  エンジニアリングＧ 　岡村盡

⾼高エネルギー加速器研究機構  殿2014年年 　技術セミナー

⽬目 　次

1. 未利利⽤用熱の利利⽤用技術開発の背景

2. ⾊色々な低温熱利利⽤用技術と、バイナリー発電の位置づけ

3. バイナリー発電技術

4.バイナリー発電の普及の現状

未 利利 ⽤用 熱 の 利利 ⽤用 技 術 開 発 の 背 景

6044233023

440480

275129

125023

6814039034

21039 8632 8992

55854

0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

300,000

350,000

400,000

450,000

排熱量量

 [テラジュール/年年]

～60℃

60～100℃

100～

149℃

150～

199℃

200～

249℃

250～

299℃

300～

349℃

350～

399℃

400～

449℃

450～

499℃

500℃～

排熱の温度度  [℃]

わが国における工場からの排熱量（温度別）[出典 (財)省エネルギーセンター 「平成12年度工場群の排熱実態調査」]

300℃未満の排熱量量＝約100万TJ＝原油 　2600万kL相当（⽇日本の原油輸⼊入量量：年年間約2億kLの13%相当）

膨⼤大な量量が廃棄されている。

【 補 ⾜足 】 未 利利 ⽤用 熱 の 量量 が 多 い 理理 由

発電所負荷設備・  回転機械・  電灯・  等々

冷冷却海⽔水排ガス 変換ロス

（熱）

各種の仕事

摩擦や振動等→熱

燃料料投⼊入

エネルギー

100

排出されるエネルギー（ほぼ全て低温の熱）  100

投⼊入されたエネルギーは、最終的には低温の熱として放出される。

10050

50 5

45

45

※表中の数値は⼀一例例です。

5  

(A)と(B)  の違いは・・・？

90  oC10  oC50  oC 50  oC+ +熱湯冷冷⽔水ぬるま湯 ぬるま湯

=エネルギーの量量は⽐比熱×温度度×質量量

(A) (B)

エネルギーの質は？

 　【弟⼦子屈】釧路路管内弟⼦子屈町は２９⽇日、同町の道の駅「摩周温泉」で、敷地内から湧く温泉と冷冷⽔水の温度度差を利利⽤用して発電し、イルミネーションを試験点灯した。町などによると温泉を利利⽤用した発電は国内で広がっているが、道内では珍しいという。   　半導体を組み込み町職員がつくった温度度差発電装置を使い、発電能⼒力力は２４ワット。装置を動かすと、シラカバに発光ダイオード（ＬＥＤ）６００個を飾ったイルミネーションが輝いた。１２⽉月から点灯する。天候に左右されず、２４時間発電でき、徳永哲雄町⻑⾧長は「温泉資源が豊富な町内で活⽤用したい」と話した。  

出典：北北海道新聞  ʻ‘12.11/30

従来：６３度度の温泉⽔水と１２度度の冷冷⽔水を混合し、約５０度度に調整した温⽔水を⾜足湯として供給  →  この温度度差を発電利利⽤用（熱電素⼦子）

温泉の温度度差で発電…電飾ともった 　弟⼦子屈の道の駅

質的ロス

エ ネ ル ギ ー の 質 の 差 利利 ⽤用 の 典 型 例例

⾼高エクセルギーのエネルギーの特徴

低エクセルギーのエネルギーの特徴

ü  動⼒力力への変換が容易易ü  エネルギー密度度が⾼高い。  たとえば⾼高温であるなど。

ü  ⾃自然界に絶対量量は少ない。ü  代表例例：  電⼒力力、化⽯石燃料料

ü  動⼒力力への変換が困難ü  エネルギー密度度が低い。ü  ⾃自然界に広く浅く⼤大量量に分布している。ü  代表例例：  低温の熱など

定義：  物質の持つエネルギーの中で、仕事に変換できる量量JIS  Z  9204  有効エネルギー評価⽅方法通則

𝑊=∫𝑇↓0 ↑𝑇↓1 ▒(1− 𝑇↓0 /𝑇 )∙𝐶∙𝑑𝑇=   (𝑈↓1 − 𝑈↓0 )− 𝑇↓0 ∙( 𝑆↓1 − 𝑆↓0 )

エネルギーの形態変換の際に⾼高⇒低のジャンプを⼩小さくするこ

とが有効利利⽤用のコツ

エ ネ ル ギ ー の 質 の 指 標 と し て の エ ク セ ル ギ ー

温度度の差のエクセルギー定義式

エネルギー変換機エネルギー効率率率

（燃焼による熱エネルギーの何％を変換できるか）

エクセルギー効率率率

⽕火⼒力力（蒸気タービン）発電所 　 　⽯石炭→電⼒力力

家庭⽤用湯沸かし器（お⾵風呂呂給湯）

都市ガス→お湯

エクセルギー効率率率の例例（概算）

約40% 約80%捨てるのは主に低温の温⽔水＝質の低い熱エネルギー

90%以上 10〜～20%⼊入⼒力力の温度度と出⼒力力の温度度

とに⼤大きな差

エ ク セ ル ギ ー 効 率率率 の 例例

家庭⽤用燃料料電池による省省エネ（電⼒力力・熱供給）が成⽴立立する理理由

未 利利 ⽤用 熱 の 利利 ⽤用 技 術 開 発 の 背 景

6044233023

440480

275129

125023

6814039034

21039 8632 8992

55854

0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

300,000

350,000

400,000

450,000

排熱量量

 [テラジュール/年年]

～60℃

60～100℃

100～

149℃

150～

199℃

200～

249℃

250～

299℃

300～

349℃

350～

399℃

400～

449℃

450～

499℃

500℃～

排熱の温度度  [℃]

わが国における工場からの排熱量（温度別）[出典 (財)省エネルギーセンター 「平成12年度工場群の排熱実態調査」]

未利利⽤用熱（低温）＝低エクセルギー⻑⾧長所：量量が多い。短所：使いづらい。 　 　 　無理理に使おうと 　 　 　するとコスト⾼高に。

⽬目 　次

1. 未利利⽤用熱の利利⽤用技術開発の背景

2. ⾊色々な低温熱利利⽤用技術と、バイナリー発電の位置づけ

3. バイナリー発電技術

4.バイナリー発電の普及の現状

低 温 未 利利 ⽤用 熱 か ら 何 を 作 る ？ 〜～ 出 ⼒力力 種 類 別 分 類 〜～

直接熱利利⽤用

・温⽔水供給（給湯、温⽔水プール、温室等）

エネルギー形態変換冷冷熱（主に空調） 吸収式冷冷凍機

より⾼高温の熱（蒸気） 吸収式ﾋｰﾄﾌﾟﾝﾌﾟ

真⽔水（淡⽔水化） 蒸発式海⽔水淡⽔水化装置

電⼒力力熱電変換素⼦子を⽤用いる⽅方式

発電機を⽤用いる⽅方式バイナリー発電

・他プロセスの加熱

【 参 考 】 吸 収 式 冷冷 凍 機

吸収式冷冷凍機の熱バランス例例（90℃程度度の熱を使う場合）

排熱 吸収式冷冷凍機1

冷冷熱負荷（空調等）

IN: 90℃OUT:   80℃

IN: 12℃OUT:      7℃

IN: 30℃OUT: 40℃

約1

約2冷冷却塔

【課題１】変換効率率率があまり良良くない

【課題２】循環ポンプや冷冷却塔のファン⽤用の電⼒力力、補給⽔水のコストがかなり⼤大きい。

低 温 未 利利 ⽤用 熱 か ら 何 を 作 る ？ 〜～ 出 ⼒力力 種 類 別 分 類 〜～

直接熱利利⽤用

エネルギー形態変換

・温⽔水供給（給湯、温⽔水プール、温室等）

温⽔水余る…

冷冷熱（主に空調） 吸収式冷冷凍機

より⾼高温の熱（蒸気） 吸収式ﾋｰﾄﾌﾟﾝﾌﾟ

真⽔水（淡⽔水化） 蒸発式海⽔水淡⽔水化装置

電⼒力力熱電変換素⼦子を⽤用いる⽅方式

発電機を⽤用いる⽅方式バイナリー発電

排熱により温められた海⽔水

冷冷却⽔水

1.排熱により温められた海⽔水は、あらかじめ低圧に保たれた蒸発器に導かれます。

2. 　低圧下で沸点の下がった海⽔水は、蒸発器内で⾃自⼰己蒸発します（フラッシュ蒸発）

3.  凝縮器内で、蒸気は冷冷却⽔水により冷冷却されて凝縮し、蒸留留⽔水が製造されます。

【 参 考 】 蒸 発 法 に よ る 海 ⽔水 淡 ⽔水 化

15  

⾃自⼰己蒸発

温度度

温海⽔水の温度度変化

冷冷海⽔水の温度度変化

蒸気／淡⽔水温度度

この温度度差はエクセルギーロス

60℃

40℃

35℃

15℃

凝縮

圧⼒力力調整された容器

温海⽔水

60℃

温海⽔水

40℃

冷冷海⽔水

15℃

冷冷海⽔水

35℃

淡⽔水

①圧⼒力力調整された容器に温海⽔水を供給②容器内の圧⼒力力が低いため沸点が下がった 　温海⽔水は⾃自⼰己蒸発して⼀一部が蒸気に。 　蒸発熱を奪われて冷冷えた温海⽔水は排出する。③蒸気は冷冷海⽔水により冷冷やされて凝縮し、   　淡⽔水に。冷冷海⽔水は凝縮熱を吸収して 　  温度度が上がる

蒸発法による淡⽔水化の原理理

【 参 考 】 蒸 発 法 に よ る 海 ⽔水 淡 ⽔水 化

16  

温度度

温海⽔水の温度度変化

この温度度差が効率率率ロス

60℃

40℃

冷冷海⽔水の温度度変化

35℃

15℃

温度度

15℃

温海⽔水の温度度変化

冷冷海⽔水の温度度変化

ロスの縮⼩小

多段化による効率率率向上

60℃

温海⽔水

冷冷海⽔水

【 参 考 】 海 ⽔水 淡 ⽔水 化 の 効 率率率 向 上

17  

海水排出ポンプ

海水循環ポンプ

蒸発器循環海水（温海水）

蒸気

テンパリングポンプ

生産水（淡水）

生産水ポンプ

冷却水（取水海水）

加熱用蒸気

凝縮器

テンパリング海水

補給海水

海水加熱器

脱気器

実際の淡水化プラントの模式図

110℃ 105℃ … 50℃ 45℃ 40℃

40℃…105℃ 100℃

30℃

30℃35℃

【 参 考 】 海 ⽔水 淡 ⽔水 化 の 効 率率率 向 上

18  

例えば中東の実際の海水淡水化プラントでは・・・

海水排出ポンプ

海水循環ポンプ

蒸発器循環海水（温海水）

蒸気

テンパリングポンプ

生産水（淡水）

生産水ポンプ

冷却水（取水海水）

加熱用蒸気

凝縮器

テンパリング海水

補給海水

海水加熱器

脱気器

海水の温度は120℃以上にしてはならない。

化石燃料の燃焼温度は1000℃以上

このままでは大きなロス

【 参 考 】 海 ⽔水 淡 ⽔水 化 の 排 熱 利利 ⽤用

19  

ガスタービン発電機

排ガスボイラー

蒸気

多段フラッシュ式
淡水化設備

淡水

冷却海水

循環海水

海水加熱器

燃料

G

ガスタービン排熱を利用

【 参 考 】 海 ⽔水 淡 ⽔水 化 の 排 熱 利利 ⽤用

20  

蒸気

G

G

復水器／海水加熱器

ガスタービン発電機

蒸気タービン発電機 循環海水

排ガスボイラー

多段フラッシュ式
淡水化設備

淡水

冷却海水

燃料

さらに蒸気タービンを利用して効率向上

【 参 考 】 海 ⽔水 淡 ⽔水 化 の 低 温 排 熱 利利 ⽤用

⽬目 　次

1. 未利利⽤用熱の利利⽤用技術開発の背景

2. ⾊色々な低温熱利利⽤用技術と、バイナリー発電の位置づけ

3. バイナリー発電技術

4.バイナリー発電の普及の現状

この低沸点媒体は熱源（排熱や温泉⽔水）によって暖められ蒸発する.

低沸点媒体  (蒸気)

タービン

発電機

凝縮器蒸発器

ポンプを使って低沸点媒体の液体を蒸発器に送り込む．

低沸点媒体蒸気の⼒力力でタービン発電機を回して発電する.低沸点媒体蒸気は冷冷却⽔水に冷冷やされて再び液体に.

低沸点媒体を利利⽤用したバイナリー発電のしくみ

ポンプ

低沸点媒体  (液)

バ イ ナ リ ー 発 電 （ 温 度度 差 発 電 ） の し く み

Method 温熱源   冷冷熱源温度度差エネルギー利利⽤用システム

海洋温度度差発電Ocean  Thermal  Energy  Conversion

表層海⽔水(28-‐‑‒30  oC)

深層海⽔水(5-‐‑‒7  oC)

地熱バイナリー発電（温泉発電、温泉⽔水温度度差発電）

温泉⽔水・蒸気(70-‐‑‒150  oC)

河川⽔水・海⽔水・井⽔水・⼯工業⽤用⽔水等(通常温度度)

低位排熱発電（バイナリー発電、排熱温度度差発電）

⼯工場排熱(70-‐‑‒200  oC)

河川⽔水・海⽔水・井⽔水・⼯工業⽤用⽔水等(通常温度度)

C.F.  ⼀一般的な汽⼒力力発電

汽⼒力力発電プラント（⽕火⼒力力発電所および原⼦子⼒力力発電所）

燃料料の燃焼熱(500  oC以上)

海⽔水・⼯工業⽤用⽔水等(通常温度度)

-‐‑‒  温度度差エネルギー利利⽤用システムの⾊色々  -‐‑‒バ イ ナ リ ー 発 電 （ 温 度度 差 発 電 ） 技 術 の 俯 瞰

24  

G

P

温熱源

冷冷熱源

蒸発器

凝縮器

タービン

発電機

作動流流体（液相）

作動流流体(気相)

等エントロピ変化

等エントロピ変化

等圧変化(凝縮中は等温)

等圧変化(蒸発中は等温)

基 本 サ イ ク ル ： ラ ン キ ン サ イ ク ル

※本紙は理理想状態の熱サイクルを⽰示します。

25  

G

P

温熱源

冷冷熱源

蒸発器

凝縮器

タービン

発電機

作動流流体（液相）

作動流流体(気相)

等エントロピ変化

等エントロピ変化

等圧変化(凝縮中等温)

等圧変化(蒸発中等温)

ポンプ出⼝口／蒸発器⼊入⼝口

凝縮器出⼝口／ポンプ⼊入⼝口 タービン出⼝口／凝縮器⼊入⼝口

蒸発器出⼝口／タービン⼊入⼝口

凝縮温度度＝冷冷却⽔水出⼝口温度度＋3〜～5℃蒸発温度度＝熱源出⼝口温度度－3〜～5℃

基 本 サ イ ク ル ： ラ ン キ ン サ イ ク ル

26  

⾼高 効 率率率 化 サ イ ク ル ： カ リ ー ナ サ イ ク ル

蒸発 気相

液相

一定温度

熱量

温度純媒体

熱量

蒸発温度上昇

気相

液相

温度アンモニア－水混合媒体

カリーナサイクルとは：アンモニア－⽔水混合媒体が、蒸発中にも温度度が上昇する性質を利利⽤用した熱サイクル

Entropy

Temperature

蒸発器

凝縮器

タービン

熱源

冷却源

タービン出力

純媒体

Entropy

Temperature

蒸発器

凝縮器

タービン

熱源

冷却源

タービン出力

アンモニア－水混合媒体

Evaporator

Condenser

Turbine

Pump

⾼高 効 率率率 化 サ イ ク ル ：カ リ ー ナ サ イ ク ル

アンモニア－⽔水混合媒体が蒸発中にも温度度が上昇することを利利⽤用し、顕熱熱源および冷冷却源と、作動媒体相変化（蒸発および凝縮）との間のエクセルギーロスを減らし、⾼高効率率率化する。

⽬目 　次

1. 未利利⽤用熱の利利⽤用技術開発の背景

2. ⾊色々な低温熱利利⽤用技術と、バイナリー発電の位置づけ

3. バイナリー発電技術

4.バイナリー発電の普及の現状

①アンモニア-‐‑‒⽔水媒体系媒体利利⽤用

住友⾦金金属⿅鹿鹿島製鉄所/  （1999〜～）（出典：住友⾦金金属WEB  SITE) （出典：富⼠士⽯石油  Web  Site  ）

富⼠士⽯石油袖ヶ浦製油所（2005〜～）

98oC  の⾼高温循環冷冷却⽔水を利利⽤用した発電

116oC  の⽯石油ガスを利利⽤用した発電

3,450kW

4,000kW

低 温 排 熱 や 温 泉 ⽔水 を 利利 ⽤用 し た 発 電 プ ラ ン ト

地熱技術開発 　50kW  (2011年年12⽉月16⽇日開所式＠新潟県松之⼭山温泉)

（写真出典:  松之⼭山温泉  ひなの⾥里里  Web  Site  ）（他、海外で実績数件）

②炭化⽔水素系媒体（ペンタン）利利⽤用

2,000kW143oC  の地熱蒸気／熱⽔水を利利⽤用した発電

⼋八丁原地熱発電所/  （2004年年〜～）（出典：九州電⼒力力 　WEB  SITE)

135oC  の地熱蒸気／熱⽔水を利利⽤用した発電 220kW

霧島国際ホテル/（2006〜～2009年年  実証）

（出典：資源エネルギー庁)

（ペンタン媒体は海外では実績多数）

低 温 排 熱 や 温 泉 ⽔水 を 利利 ⽤用 し た 発 電 プ ラ ン ト

⼩小 型 バ イ ナ リ ー 発 電 市 場 活 性 化 の 理理 由

①規制緩和（2012年年4⽉月  資源エネルギー庁） 　⼀一定の条件（下記）を満たす⼩小型バイナリー発電について、資格者の常駐や各種届出、第三者機関による検査等の要件を免除する。

②地熱発電を対象としたFIT（固定価格買取制度度）の適⽤用・温泉⽔水等を熱源としたバイナリー発電は、地熱発電に分類され、FITが適⽤用される。買取価格は出⼒力力15MW以下の場合、税抜40円/kWh  (15年年間)

・排熱は対象外だが、バイナリー発電市場の活性化によるユニット価格低減により、経済性が向上している。

(a)  発電出⼒力力が３００ｋＷ未満(b)  最⾼高使⽤用圧⼒力力が２ＭＰａ未満(c)  最⾼高使⽤用温度度が２５０℃未満(d)  その他、構造等に関する条件

沖縄県  海洋深層⽔水研究所（久⽶米島  真謝地区）

沖縄県  海洋温度度差発電実証設備（沖縄県海洋深層⽔水研究所内）

写真提供：沖縄県 32  

現在、世界唯⼀一稼動中。[*1]⽇日本では30年年ぶり3基⽬目。[*2][*1]  ハワイでも100kW発電計画中[*2]  海⽔水を⽤用いていない実験設備を除く

バ イ ナ リ ー 発 電 の 変 わ り 種 ： 海 洋 温 度度 差 発 電

深層海⽔水

表層海⽔水

表層海⽔水•  流流量量:  最⼤大  13,000  t/d  (540t/h)  …既存取⽔水設備と共⽤用

•  ⽔水温:        年年平均  25.8  oC,          夏季  29oC,        冬季  23oC

•  流流量量:  最⼤大  13,000  t/d  (540t/h)  …既存取⽔水設備と共⽤用

•  取⽔水深度度：612m•  ⽔水温:    年年間平均  9oC  （ほぼ⼀一定）

深層海⽔水

写真提供：沖縄県 33  

バ イ ナ リ ー 発 電 の 変 わ り 種 ： 海 洋 温 度度 差 発 電

ご清聴ありがとうございました。